连续采煤机短壁机械化充填开采技术研究与应用

代立明

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 太原 030006)

0 引言

现代短壁开采技术是指与长壁综采相对应的，采用连续采煤机、梭车、连续运输系统、履带式行走支架、破碎转载机以及多功能铲运车等一系列采、掘、装、运、支成套装备，结合房柱式、旺格维利式、块段式等巷道布置方式，形成的一种采煤方法，具有巷道布置灵活、设备移动便捷、采掘合一等技术优点，对不适用于布置长壁综采的边角块段、三角煤、残留煤柱、“三下”压煤呆滞资源尤其适用。[1]充填开采技术是在连采机短壁机械化开采基础上，对采区已采煤柱进行实体充填后将预留保安煤柱进行二次回收开采。该项技术应用，既大力开发了煤炭资源，延长了矿井寿命；又防治采区地表沉陷，保护了当地生态环境，已经成为煤矿保水开采、保护地表建筑的最有效途径[2]，对煤矿“安全、绿色、高效”的可持续发展建设有着重要意义。[3]

1 连续采煤机短壁机械化充填开采技术可行性

目前，连续采煤机短壁开采装备与技术已经在我国多数矿井成功应用，且产品已经形成系列化，为连采短壁充填开采技术的应用提供了有利基础条件。

目前，长壁综采充填技术发展较为迅猛，尤其是与综采工艺相匹配的充填介质(如固体充填、膏体或似膏体充填、高水或超高水充填)、与充填介质相适应的充填系统的发展已经较为成熟，并广泛在山东、河北等一些老矿区的村庄下应用。然而，长壁综采充填存在一定问题，如工艺上充填速度、充填体凝固速度很难跟上采煤速度，形不成平行作业；效率上发挥不出综采高产高效；效果上，充填密实效果、接顶率难以保证等。

连续采煤机短壁充填技术依靠短壁开采灵活的巷道布置、快捷的设备移动，可以实现在不同位置的巷道地点，将掘进或回采与充填平行作业，充填时间与开采时间相匹配，最大程度地实现采充平行作业，从而保障开采能力；而短壁巷道式充填相对综采充填，工艺上灵活可控，可保证一定的接顶率，减少对下覆岩层扰动，进而达到有效控制地表下沉的作用。因此，短壁充填是目前发展潜力较大的一项前沿技术，已经在内蒙不同矿区开始实践并应用，并达到了一定的效果[4]。

2 连续采煤机短壁机械化充填开采技术方案

根据连续采煤机短壁开采的技术特点，针对建筑物保护要求和矿井开采实际，充填开采方案主要考虑有两种采、充方案：

2.1 方案一：连续运输式短壁充填开采

根据连采短壁机械化开采装备与技术的发展现状，结合高水材料充填实践，并本着提高工作面产量和资源回收率的要求，提出了连续运输式连采短壁充填开采思路。配套EML340系列连续采煤机进行巷道煤体截割、装载、运输等工序，LY2000系列连续运输系统进行连采机与带式输送机之间的煤炭运输与转载，两台XZ7000系列履带式行走液压支架进行支巷与采硐三角区顶板支护，巷道永久支护采用风动锚杆机支护。

工作面掘、采、充3个主要以工艺的平行为原则，支巷可实现双支巷平行掘进(回采)，根据掘采时间调整充填和凝固时间，使其相匹配。以双巷掘进，短充一支巷和二支巷为例说明其工艺过程。

1) 掘进工序。根据巷道功能不同，掘进分为主辅运巷掘进和支巷掘进，支巷掘进结束后再回采采硐，并充填。

2) 主巷掘进。采用连运系统紧跟连采机，接受连采机采落的煤炭，煤炭经连续运输系统转载后卸载至刮板输送机上，再由刮板输送机转载至主运巷带式输送机，运出掘进工作面。设备配套如图1所示。

图1 掘进时运输设备布置

3) 支巷掘进。如图2所示，短充一支巷和短充二支巷掘进时，连续运输系统尾部跨骑同带式输送机尾相连接，整套设备可进可退，当连采机在短充一支巷达到掘进循环时，退出机组至短充二支巷，继续进行截割作业；支护人员进入短充一支巷进行锚杆支护，当支护完成时，连续采煤机进入短充一支巷继续截割，支护人员进入短充二支巷进行锚杆支护，以此往复，以掘、支平行作业完成两条支巷的同时掘进。

图2 巷道单翼布置掘进设备状态

4) 采、充工序。当支巷掘进完成后即可进行采硐回收煤柱，回采6～8个采硐时，连采机退出回采二支巷煤柱，此时一支巷可调整充填管道进入充填位置开始充填，充填结束后进行充填体密闭，而待二支巷回采结束，调整充填管道进入二支巷进行充填作业，此时一支巷的充填物已达到预定凝固时间，连采机可以进入回采剩余部分的煤柱。以此工序完成整个短充区段的采煤和充填作业。每条支巷的采煤和充填工序在实际操作时尽量实现2次交替作业就结束，以提高开采效率。工作面作业如图3所示。

图3 单翼回采充填作业示意图

2.2 方案二：间断运输式短壁充填开采

根据现场地质条件，充分考虑目前的巷道断面、支护方式、工程进度以及产量等要求，方案二主要考虑采用间断运输的方式运煤，其巷道系统布置短充填支巷(<50 m),采用梭车与连运一号车代替了连续运输系统，连运一号车同带式输送机机尾相连接，梭车作为连续采煤机和连运一号车之间的煤炭运输和转载设备，配套两台XZ7000系列履带行走支架完成工作面支巷顶板的支护；巷道永久支护主要采用风动锚杆机人工支护。

1) 掘进工序。短充区开采前，掘进工作分为主巷掘进和支巷掘进，先进行主巷(主运输顺槽)，后进行支巷，再回采采硐并充填。

2) 主巷掘进。在主运顺槽正常掘进过程中，若巷道角度较小则使用梭车接受连采机的回采煤炭，然后转载至给料破碎机，经给料破碎机转载并破碎后运至主巷带式输送机，如图4所示。若巷道底板角度较大，在控制行程的情况下，则直接采用给料破碎机装煤、运输直至卸载至主巷带式输送机。设备配套如图4所示。

图4 正常掘进时运输设备布置图

3) 支巷掘进。与连续运输方案一样，短充一支巷和短充二支巷掘进时，连运一号车同带式输送机机尾相连接，梭车运煤灵活、实现可进可退，当连采机在短充一支巷达到掘进循环时，退出机组至短充二支巷，继续进行截割作业；支护人员进入短充一支巷进行锚杆支护，当支护完成时，连续采煤机进入短充一支巷继续截割，支护人员进入短充二支巷进行锚杆支护，以此往复，以掘、支平行作业完成两条支巷的同时掘进。支巷掘进时，通过控制巷道底板角度(≤6°)，达到使用梭车运煤的目的，若底板浮煤较多则采用垫胶带或铺设钢板的方式保证梭车能够正常运行。如此工艺反复，掘进剩余短充支巷。支巷掘进设备状态如图5所示。

图5 支巷掘进工艺示意图

4) 采、充工序。与方案一类似，当支巷掘进完成后即可进行采硐回收煤柱，回采6～8个采硐时(一条短支巷的长度)，连采机退出回采二支巷，一支巷便可进行充填作业，完成充填循环后进行充填体密闭，待二支巷回采结束(6～8个采硐)，即可进行充填作业，此时一支巷的充填物达到初凝，以此往复，完成采、充作业。如图6所示。

图6 采、充工艺示意图

3 连续采煤机短壁机械化充填开采技术应用案例

内蒙古裕兴煤矿选用连续采煤机配套梭车进行间断运输方式完成采、充作业，该配套方式运行灵活、方便，拐弯半径小，支巷可实现90°开口，三角区面积相对较小，此种配套方案用人少、工艺简单，可以实现年产量50～70万t。

该矿煤层倾角10°左右，依煤层走向平行掘进上顺槽和下顺槽，再依煤层倾向倾斜掘进巷道进行煤柱回收，之后对已掘巷道进行膏体充填后再进行支撑煤柱回收,如图7所示。该矿充填材料以矸石、工业炉渣、建筑垃圾等废气物为粗骨料，配以粉煤灰、劣质土等细骨料，与水泥等胶结料以一定比例的配比进行搅拌成高浓度浆体，利用充填柱塞泵、管道系统，将料浆送至井下短壁工作面，在采空区凝固后形成一定承载能力和强度的充填体,如图8所示。该矿应用充填技术进行连采机边角煤回收开采，充填体强度大，充填效果好、资源回收率高，回收率达90%以上。

图7 裕兴煤矿连采连充工艺

图8 裕兴煤矿连采连充现场

4 结论

连续采煤机短壁机械化充填开采技术是在连续采煤机短壁机械化开采技术基础之上结合了充填开采技术进行煤矿井下不规则块段、边角煤、“三下”压煤等难采煤资源的安全、绿色、高效开采。该技术的实施，有效保护了矿区生态环境，提高了煤炭资源回收率，符合国家制定的发展规划和理念，对煤矿的建设发展有着重要的经济意义和社会意义。